“IC-Display-Device/Gas separation-Composite”—Breakthroughs in Core Technologies， Performance Optimization， and Application Exploration of Multifunctional Polyimide Materials

doi:10.7503/cjcu20250319

Abstract

Abstract:

As a key representative of high-performance polymers， polyimide plays an irreplaceable role in strategic emerging fields such as integrated circuits， new energy， and aerospace， owing to its exceptional thermal resistance， outstanding mechanical properties， and remarkable dielectric characteristics. However， with the rapid development of cutting-edge areas such as flexible electronics， efficient energy conversion， and the “dual-carbon” strategy， traditional polyimide materials still face significant challenges in terms of dielectric properties， flexibility， functional integration， and thermal management. In response， this paper systematically reviews the innovative research achievements in multifunctional polyimides， focusing on five key dimensions： “IC， display， device/gas separation， composite.” Specifically， at the “IC” level， material systems with ultra-low dielectric constants and high strength have been developed for advanced chip packaging. At the “dsiplay” level， highly transparent and flexible films with excellent folding endurance have been fabricated to meet the demands of flexible displays. In the “device/gas separation” dimension， applications in energy devices and aerospace thermal management have been expanded， while structural designs have significantly enhanced gas separation performance， contributing to the “dual-carbon” goals. At the “composite” level， breakthroughs in thermal management capabilities of composites have been achieved by constructing multi-dimensional thermal conduction networks. This study not only demonstrates the considerable functional plasticity of polyimides but also provides important theoretical and technical support for addressing key material challenges in related scientific and technological fields.

Key words: Polyimide, High frequency with low dielectric constant, Film, Gas separation, Thermal management

CLC Number:

O631

TrendMD:

HU Jinhong, CAI Mingwei, GAN Yile, ZHANG Yang, SHI Hainan, MIN Yonggang. “IC-Display-Device/Gas separation-Composite”—Breakthroughs in Core Technologies， Performance Optimization， and Application Exploration of Multifunctional Polyimide Materials[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(1): 20250319.

Figures/Tables 24

References 68

[1]	Luo J. R.， Liu Y. D.， Liu H.， Chen W. P.， Cui T. T.， Xiao L.， Min Y.， Materials， 2022， 15， 8014
[2]	Chen Y.， Liu Y.， Min Y.， Materials， 2022， 15， 2755
[3]	Wu J.， Zhang S.， Cai M.， Li Q.， Wang Z.， Lu X.， Min Y.， High Perform. Polym.， 2023， 35， 1026
[4]	Chen Y.， Liu Y.， Min Y.， Polymers， 2023， 15， 1256
[5]	Tan W. Y.， Jian L. F.， Chen W. P.， Zhang Y. W.， Lu X. C.， Huang W. J.， Zhang J. S.， Wu J. W.， Feng J. L.， Liu Y. D.， Cui T. T.， Min Y. G.， Chin. J. Polym. Sci.， 2023， 41， 288
[6]	Jian L. F.， Lu Z. Y.， Tan W. Y.， Min Y. G.， Mod. Plast. Process. Appl.， 2024， 36， 17
	简凌锋，卢治宇，谭婉怡，闵永刚. 现代塑料加工应用， 2024， 36， 17
[7]	Lu X. C.， Yu W. T.， Weng M. M.， Liu Y. D.， Zhang J. S.， Fang J. Y.， Min Y. G.， Insul. Mater.， 2021， 54， 11
	卢小闯，余文涛，翁梦蔓，刘屹东，张继升，方基永，闵永刚. 绝缘材料， 2021， 54， 11
[8]	Lu J.， Zhang J.， Liu H.， Chen W.， Luo J.， Wang Z.， Cui T.， Min Y.， Liu Y.， High Perform. Polym.， 2023， 35， 936
[9]	Huang X. W.， Liao S. Y.， Liu Y. D.， Rao Q. S.， Peng X. K.， Min Y. G.， Electrochimica Acta， 2021， 389， 138747
[10]	Hu J. Q.， Li Y. Z.， Liao S. Y.， Huang X. W.， Chen Y. Z.， Peng X. K.， Yang Y. B.， Min Y. G.， ACS Appl. Energy Mater.， 2021， 4， 9721
[11]	Song T.， Min Y.， J. Appl. Polym. Sci.， 2024， 141， e55721
[12]	Liu C. S.， Hu J. Q.， Mao T. T.， Liao S. Y.， Feng R. M.， Liu Y. D.， Min Y. G.， Chin. J. Polym. Sci.， 2024， 42， 521
[13]	Huang J.， Su J.， Weng M.， Xiong L.， Wang P.， Liu Y.， Lin X.， Min Y.， Sol. Energy Mater. Sol. Cells， 2022， 245， 111872
[14]	Cao Y.， Zhao Z.， Zeng X.， Teng J.， Huang J.， Min Y.， Adv. Compos. Hybrid Mater.， 2025， 8， 104
[15]	Yu W.， Lin J.， Cao Y.， Fang J.， Wang Z.， Huang J.， Min Y.， RSC Adv.， 2024， 14， 16971
[16]	Cao Y.， Zeng X.， Su J.， Yu W.， Zhang H.， Abdou S. N.， Ibrahim M. M.， Fallatah A. M.， Zhang J.， Amangeldi N.， Algadi H.， Ainur Y.， Toktarbay Z.， Huang J.， Min Y.， Guo Z.， Carbon， 2025， 242， 120427
[17]	Wang Z.， Min Y.， Fang J.， Yu W.， Huang W.， Lu X.， Wang B.， RSC Adv.， 2023， 13， 7055
[18]	Yu W.， Lin J.， Zhao Z.， Fang J.， Wang Z.， Huang J.， Min Y.， RSC Adv.， 2024， 14， 9716
[19]	Huang J.， Zeng X.， Yu W.， Zhang H.， Min Y.， Diam. Relat. Mater.， 2025， 152， 111968
[20]	Ji W.， Li K.， Min Y. G.， Shi W.， Li J.， Ma X.， J. Membr. Sci.， 2021， 623， 119091
[21]	Cai M.， Chen J.， Liu H.， Sun L.， Wu J.， Han Z.， Chen Z.， Cui T.， Zhang S.， Ma X.， Min Y.， Sep. Purif. Technol.， 2024， 341， 126945
[22]	Zhang S.， Xu Z.， Weng Y.， Cai M.， Wang Y.， Zhu W.， Min Y.， Ma X.， J. Membr. Sci.， 2023， 672， 121464
[23]	Cai M.， Liu H.， Chen J.， Wu J.， Han Z.， Chen Z.， Zhang S.， Min Y.， Microporous Mesoporous Mater.， 2024， 365， 112889
[24]	Cai M.， Liang H.， Liang F.， Tao M.， Sun L.， Ma X.， Zhang S.， Min Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2025， 64， e202509756
[25]	Zhang S.， Lu X.， Cai M.， Wang Z.， Han Z.， Chen Z.， Liu R.， Li K.， Min Y.， Polymers， 2022， 14， 5391
[26]	Cai M.， Liu H.， Chen J.， Sun L.， Wu J.， Chen Z.， Han Z.， Cui T.， Zhang S.， Min Y.， Ma X.， Sep. Purif. Technol.， 2024， 335， 126163
[27]	Luo X. L.， Wu J. H.， Liu J.， Wang Z. Q.， Min Y. G.， Liu Y. D.， Funct. Mater.， 2023， 54， 7145
	罗旭良，吴嘉豪，刘靖，王子青，闵永刚，刘屹东. 功能材料， 2023， 54， 7145
[28]	Weng M. M.， Yu W. T.， Lu X. C.， Li Q. L.， Liu J.， Liu Y. D.， Min Y. G.， Insul. Mater.， 2021， 54（4）， 1
	翁梦蔓，余文涛，卢小闯，李清玲，刘佳，刘屹东，闵永刚. 绝缘材料， 2021， 54（4）， 1
[29]	Weng M. M.， Zhao X. J.， Luo X. L.， Min Y. G.， Polym. Bull.， 2023， 36， 1090
	翁梦蔓，赵晓君，罗旭良，闵永刚. 高分子通报， 2023， 36， 1090
[30]	Luo X.， Huang J.， Wang X.， Weng M.， Cao Y.， Min Y.， Chem. Commun.， 2023， 59， 13321
[31]	Weng M.， Luo X.， Jian L.， Liang J.， Hu J.， Liu Y.， Zhang J.， Feng X.， Min Y.， Appl. Surf. Sci.， 2022， 578， 152029
[32]	Liaw D. J.， Wang K. L.， Huang Y. C.， Lee K. R.， Lai J. Y.， Ha C. S.， Prog. Polym. Sci.， 2012， 37， 907
[33]	Viehbeck A.， Goldberg M. J.， Kovac C. A.， J. Electrochem. Soc.， 1990， 137， 1460
[34]	Rothman L. B.， J. Electrochem. Soc.， 1980， 127， 2216
[35]	Muruganand S.， Narayandass S. K.， Mangalaraj D.， Vijayan T. M.， Polym. Int.， 2001， 50， 1089
[36]	Chen S. T.， MRS Online Proc. Libr. OPL， 1995， 381， 141
[37]	Ohya H.， Kudryavsev V. V.， Semenova S. I.， Polyimide Membranes： Applications， Fabrications and Properties， Routledge， London， 2022
[38]	Dixit B. C.， Dixit R. B.， Desai D. J.， Int. J. Polym. Mater.， 2009， 58（4）， 229
[39]	Jeon J. Y.， Tak T. M.， J. Appl. Polym. Sci.， 1996， 61， 371
[40]	Dong J.， Yin C.， Luo W.， Zhang Q.， J. Mater. Sci.， 2013， 48， 7594
[41]	Chen T. A.， Jen A. K. Y.， Cai Y.， Macromolecules， 1996， 29， 535
[42]	Fang B.， Pan K.， Meng Q.， Cao B.， Polym. Int.， 2012， 61， 111
[43]	Rensch T.， Fabig S.， Grätz S.， Borchardt L.， ChemSusChem， 2022， 15， e202101975
[44]	Xu Z.， Croft Z. L.， Guo D.， Cao K.， Liu G.， J. Polym. Sci.， 2021， 59， 943
[45]	Bell V. L.， Stump B. L.， Gager H.， J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed.， 1976， 14， 2275
[46]	Sezer Hicyilmaz A.， Celik Bedeloglu A.， SN Appl. Sci.， 2021， 3， 363
[47]	Kreuz J. A.， Edman J. R.， Adv. Mater.， 1998， 10， 1229
[48]	Peng X. K.， Huang X. W.， Liu R. T.， Zhang Y. W.， Zhang S. Y.， Huang J. T.， Min Y. G.， Mater. Rev.， 2022， 36， 184
	朋小康，黄兴文，刘荣涛，张永文，张诗洋，黄锦涛，闵永刚. 材料导报， 2022， 36， 184
[49]	Liu H.， Liu Y. D.， Chen W. P.， Cui T. T.， Min Y. G.， Chem. Bull.， 2024， 87， 605
	刘恒，刘屹东，陈伟鹏，崔婷婷，闵永刚. 化学通报， 2024， 87， 605
[50]	Meador M. A. B.， McMillon E.， Sandberg A.， Barrios E.， Wilmoth N. G.， Mueller C. H.， Miranda F. A.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2014， 6， 6062
[51]	Zhang D.， Li L.， Wang Y.， Zhang C.， Teng C.， J. Sol⁃Gel Sci. Technol.， 2023， 108， 1
[52]	Liu C. S.， Chen Y. W.， Cao J. R.， Liu J.， Ma X. H.， Liu Y. D.， Min Y. G.， Insul. Mater.， 2021， 54（2）， 1
	刘存生，陈钰玮，曹景茹，刘佳，马小华，刘屹东，闵永刚. 绝缘材料， 2021， 54（2）， 1
[53]	Du Q.， Chen W.， Guo H.， Wang Z.， Zhao L.， Zhu Y.， Tan W.， Min Y.， Liu Y.， J. Polym. Sci.， 2024， 62， 3066
[54]	Liu Y.， Chen W.， Liu H.， Luo J.， Zhao L.， Zhang J.， Wang H.， Wu J. W.， Feng J. L.， Zhu Y.， Tan W. Y.， Cui T.， Min Y.， Polym. Degrad. Stab.， 2023， 209， 110264
[55]	Wang Q.， Huang F.， Cornelius C. J.， Fan Y.， J. Membr. Sci.， 2021， 621， 118785
[56]	Hou M.， Qi W.， Li L.， Xu R.， Xue J.， Zhang Y.， Song C.， Wang T.， J. Membr. Sci.， 2021， 635， 119541
[57]	Chen S.， Wahiduzzaman M.， Ji T.， Liu Y.， Li Y.， Wang C.， Sun Y.， He G.， Maurin G.， Wang S.， Liu Y.， Angew. Chem.， 2025， 137， e202413701
[58]	Liu L.， Li Q.， Sun L.， Riaz A.， Li J.， Wang Y.， Pinnau I.， Ma X.， J. Membr. Sci.， 2025， 717， 123647
[59]	Lei L.， Pan F.， Lindbråthen A.， Zhang X.， Hillestad M.， Nie Y.， Bai L.， He X.， Guiver M. D.， Nat. Commun.， 2021， 12， 268
[60]	Hu L.， Lee W. I.， Roy S.， Subramanian A.， Kisslinger K.， Zhu L.， Fan S.， Hwang S.， Bui V. T.， Tran T.， Zhang G.， Ding Y.， Ajayan P. M.， Nam C. Y.， Lin H.， Nat. Commun.， 2024， 15， 5688
[61]	Zhang C.， Koros W. J.， Adv. Mater.， 2017， 29， 1701631
[62]	Cai M. W.， Wang Z.， Lu X. C.， Wu J. H.， Zhang S. Y.， Min Y. G.， Chem. Bull.， 2023， 86， 153
	蔡铭威，王知，卢小闯，吴嘉豪，张诗洋，闵永刚. 化学通报， 2023， 86， 153
[63]	Zhang S. Y.， Ye B.， Zhao W. T.， Min Y. G.， Contemp. Chem. Res.， 2022，（19）， 17—20
	张诗洋，叶彬，赵文通，闵永刚. 当代化工研究， 2022，（19）， 17—20
[64]	Wang Z.， Zhang S. Y.， Cai M. W.， Lu X. C.， Liu Y. D.， Min Y. G.， Chem. Bull.， 2023， 86， 270
	王知，张诗洋，蔡铭威，卢小闯，刘屹东，闵永刚. 化学通报， 2023， 86， 270
[65]	Cai M. W.， Wang Z.， Lu X. C.， Zhuang J. W.， Wu J. H.， Zhang S. Y.， Min Y. G.， Chem. Ind. Eng. Prog.， 2023， 42， 5232
	蔡铭威，王知，卢小闯，庄俊伟，吴嘉豪，张诗洋，闵永刚. 化工进展， 2023， 42， 5232
[66]	Zhao X. J.， Luo X. L.， Weng M. M.， Min Y. G.， Funct. Mater.， 2023， 54， 12018
	赵晓君，罗旭良，翁梦蔓，闵永刚. 功能材料， 2023， 54， 12018
[67]	Ha H. W.， Choudhury A.， Kamal T.， Kim D. H.， Park S. Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2012， 4， 4623
[68]	Huang J.， Lv H.， Zhao X.， Lee J. M.， Min Y.， J. Appl. Polym. Sci.， 2025， 142， e56879

Characteristic	Negative⁃tone photosensitive polyimide	Positive⁃tone photosensitive polyimide
Core mechanism	Photo⁃induced crosslinking	Photo⁃induced increase in solubility
Photosensitive groups	Acrylate groups， epoxy groups， vinyl ether， etc.	Diazonaphthoquinone（DNQ） compounds， etc.
Development result	Exposed areas are insoluble and retained	Exposed areas are soluble and removed
Features	Mature process， widely applied， good adhesion，	Higher resolution， good pattern precision
	fast photosensitivity， low cost
Application scenarios	Advanced packaging， insulating buffer layers	High⁃density integrated circuits， fine pattern transfer

Characteristic	Negative⁃tone photosensitive polyimide	Positive⁃tone photosensitive polyimide
Core mechanism	Photo⁃induced crosslinking	Photo⁃induced increase in solubility
Photosensitive groups	Acrylate groups， epoxy groups， vinyl ether， etc.	Diazonaphthoquinone（DNQ） compounds， etc.
Development result	Exposed areas are insoluble and retained	Exposed areas are soluble and removed
Features	Mature process， widely applied， good adhesion，	Higher resolution， good pattern precision
	fast photosensitivity， low cost
Application scenarios	Advanced packaging， insulating buffer layers	High⁃density integrated circuits， fine pattern transfer

Application field	Application
Mechanical	TPI， with excellent mechanical properties and friction resistance， can replace titanium alloys for manufacturing engine
industry	inner covers， dense parts， and clutch rings
Aerospace	TPI exhibits good flame retardancy， applicable to producing aircraft components and reducing fire⁃related damage risks
Electronics &	In harsh environments（high temperature， pressure， humidity）， TPI maintains good electrical insulation， used for
communications	wafer carriers， electronic insulating films， and connectors
Medical	Artificial bones made from TPI resin are lightweight， non⁃toxic， and highly corrosion⁃resistant
Power	TPI， featuring good thermal stability and dielectric properties， is applied in wires， cables， and power equipment
Coatings	Coating metal surfaces with TPI fine powder creates coatings with excellent insulation， corrosion/heat/water
	resistance， widely used in chemical anticorrosion， home appliances， electronics， and machinery

Application field	Application
Mechanical	TPI， with excellent mechanical properties and friction resistance， can replace titanium alloys for manufacturing engine
industry	inner covers， dense parts， and clutch rings
Aerospace	TPI exhibits good flame retardancy， applicable to producing aircraft components and reducing fire⁃related damage risks
Electronics &	In harsh environments（high temperature， pressure， humidity）， TPI maintains good electrical insulation， used for
communications	wafer carriers， electronic insulating films， and connectors
Medical	Artificial bones made from TPI resin are lightweight， non⁃toxic， and highly corrosion⁃resistant
Power	TPI， featuring good thermal stability and dielectric properties， is applied in wires， cables， and power equipment
Coatings	Coating metal surfaces with TPI fine powder creates coatings with excellent insulation， corrosion/heat/water
	resistance， widely used in chemical anticorrosion， home appliances， electronics， and machinery

Membrane	Permeability（Barrer）				Ideal selectivity（αX/Y）		Ref.
Membrane	H₂	CO₂	N₂	CH₄	H₂/CH₄	H₂/CO₂	Ref.
6F⁃D⁃S⁃CMS	3464	904	12	0.91	3807	2.7	［24］
6F⁃D⁃S⁃CMS⁃850	523	3.5	0.32	0.08	6538	149	［24］
PEK⁃C⁃900	2919	26.3	12.3	1.57	1859	110	［21］
6F⁃DABA⁃75⁃CM576	5832	3573	113	69	84.3	1.6	［55］
BAPP⁃PMDA⁃900	323	192	2	1	323	1.7	［56］
TR⁃CMS⁃0.5	3843	901	14.6	6.3	610	4.3	［57—59］
Ti⁃MOF	6444	4633	118	118	54.6	1.4	［60］
CMS/10X⁃7.5	1709	691	16.2	3.1	551	2.5	［61］